课程设计-换热器

1、化工过程及设备课程设计（本） 题 目 换热器的设计水冷却硝基苯 班 级 2010化工2班 学 号 45、46、47 组 长 王少平 组 员 何东宝、王少平、潘树灿 指导教师 黄卫清 完成日期 2013年12月 目录一、 设计任务和设计条件31.设计题目：换热器的设计水冷却煤油2.设计条件；3.设计任务；二、设计方案简介4 1.选择换热器的类型；2.管程安排；3.流向的选择；三、确定物性数据.5四、试算和初选换热器的规格.61.计算热负荷和冷却水流量；2.计算两流体的平均温度差；3.初选换热器规格；五、核算总传热系数.71、管程的给热系数2、壳程的给热系数3、污垢热阻4、计算总传热系数5、估算传

2、热面积.六、核算压强降81、管程压强降2、壳程压强降七、辅助设备的计算及选型91、壳体直径、长度、厚度2.封头尺寸3.法兰及各连接材料的选择结构（1）选定法兰（2）选定垫片结构八、设计结果一览表12其他工艺参数九、对设计的评述附录：参考图一、 设计任务和设计条件1.设计题目：换热器的设计水冷却硝基苯2.设计条件：（1）硝基苯 处理量：16000/小时、进口温度：140、出口温度：60、压强降<40kPa(2)冷却水进口温度：30、出口温度：40、压强降<40kPa3.设计任务：（1）设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、封头、隔板及接管等。（2）绘制列管式换热

3、器的设计条件图。（3）编写课程设计说明书。二设计方案简介换热器种类繁多，按照用途分类，可以分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。按照传热面的形状及结构特点又可将其分为：管式换热器、板式换热器、扩展表面式换热器。1.选择换热器的类型本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。选择时要遵循经济，传热效果好，方便清洗，符合实际需要等原则。列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选间壁式换热器中的列管式换热器作为设计基

4、础。2、管程安排冷、热流体流动通道的选择的一般原则：1.不洁净或易结垢的液体宜在管程，因为管内清洗方便。2.腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。3.压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。4.饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。5.流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因为壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。6.若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。 7.需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。

5、由于循环冷却水容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。3.流向的选择当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。三、确定物性数据定性温度：可去流体进口温度的平均值。壳程硝基苯的定性温度为T=100管程冷却水的定性温度为 T=35跟据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。硝基苯在110下的有关物性数据如下：密度        

6、0;  0=1097.59 / m3 定压比热容   cp0=1.72kJ/（kg） 导热系数 0l=0.140（W/m.°C） 粘度 0=0.00055（Pas） 循环冷却水在35°C下的有关物性数据如下： 密度           i=994.3 / m3 定压比热容    cpi=4.174k

7、J/（kg）导热系数      il=0.6265 （W/m.°C） 粘度           i =0.000742（Pas） 四、试算和初选换热器的规格1.计算热负荷和冷却水流量热负荷量Q0=m0 c0p t0=14000×1720×（140-60）/3600=535111 （kW）冷却水量W=46666.7 (kg/h) 2.计算两

8、流体的平均温度差平均传热温差tm=58.143.初选换热器规格根据两流体的情况，设 K=540W/(m2·)，故S=17.04（m2）壳体内径（mm）300管子尺寸（mm）19×2公称压强0.4 MPa管长6 m公称面积70 m2管子总数98管程数2管子排列方法正三角形管心距 24 mm折流板数 19块折流板高度h60 mm折流板间距B 150 mm壳程流体进出口接管内径D80 mm管程流体进出口接管内径110 mm估计传热面积S0=ndL=98×3.14×0.019×3=17.54 m2K0=524.7W/(m2·)五、核算总传热系

9、数1、管程的给热系数i i=0.36× =0.36××（11674）0.55（6.67）1/3 =1174.69 W/m2·2、壳程的给热系数0假设壳程的给热系数0=290W/(m2·)3、污垢热阻Rsi=0.000344 m2·/WRs0=0.000173 m2·/W4、计算总传热系数K管壁的导热系数：=45W/m·=+ Rsi+ Rs0+ =0.025/（2731×0.020）+0.000344×0.025/0.020+0.000172+1/290 =0.000457+0.00043+0.0

10、00062+0.000172+0.003448 =0.004569W/( m2·)K=218.86 W/( m2·)5、估算传热面积考虑15%的面积裕度S=15.52（m2）S= 1.15×15.52=17.848 m2六、核算压强降1、管程压强降pi=（p1+p2）FtNpNs（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）取换热管的管壁粗糙度为0.01mm，/d=0.005，而Rei=13545，查图得t=0.04,流速Ui=1.48m/s，=994.3kg/ m2p1=iLui2/（2di）=0.039×3×994.3×1.48&#

11、178;/（0.015×2）=8.494 KPap2=3ui2/2=3×994.3×1.48²/2=3.267 KPa对19×2mm的管子有Ft=1.5，且Np=2，Ns=1pi=（p1+p2）FtNpNs =（8.494+3.267）×1.4×2×1=35.283 KPa<40 KPa管程阻力在允许的范围之内。2、壳程压强降p0=（p1+p2）FsNs（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Ns为壳程数）流体流经管束的阻力p1=Ff0nc（NB+1）u0²/2F为管子排列方式对压强降的校正系数

12、，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3=，正方形错列时，F=0.4。f0为壳程流体的摩擦系数，当Re0>500时，f0=5.0Re0-0.228=5.0×（11674）-0.228=0.59111nc为横过管束中心线的管数，nc=11折流板间距B=0.15m，折流板数=19p1=0.5×0.59111×11×（19+1）×=5.427KPa流体流经折流板缺口的阻力p2=NB（3.5-） B=0.15m，D=0.3mp2=19（3.5-）×=5.551 KPa总压力降p0=（5.427+5.551）=10.978 KPa&

13、lt;40 KPa该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适。七、辅助设备的计算及选型1、壳体直径、长度、厚度由上面的计算可得壳体直径为D=300mm壳体长度为l=6m操作压力Pc=0.4MPa根据以上假设和查表数据可得= =0.429mm按过程设备设计（化学工业出版社），腐蚀余量C2=2mm，钢板厚度负偏差C1=0.3mm设计厚度d=+ C2=0.429+2=2.429mm因而可取名义厚度n=3mm。但对碳素钢，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm，若加上2mm的腐蚀裕量，名义厚度至少应取5mm。按化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）表4-31取壳体厚度

14、60;=5mm2.封头尺寸考虑综合因素，使用标准椭圆封头，材料使用碳素钢Q245，焊接接头形式采用双面焊对接接头，无损检测比例100%，故=1。参考过程设备设计（化工工业出版社）附录得，在150下，厚度假设为=3-16mm时，碳钢Q245的许用应力为 t=140(MPa)管程压力为0.4 MPa，壳程压力为0.3MPa，按Pc=0.4MPa计算。根据以上假设和查表数据可得=0.429mm按过程设备设计（化学工业出版社），腐蚀余量C2=2mm，钢板厚度负偏差C1=0.3mm设计厚度d=+ C2=0.429+2=2.429mm因而可取名义厚度n=3mm。但对碳素钢，规定不包括腐蚀裕量的最

15、小厚度应不小于3mm，若加上2mm的腐蚀裕量，名义厚度至少应取5mm。有钢材标准规格，名义厚度取为5mm。n=5mm，t没有变化，故取名义厚度5mm合适。因为K=2+()2由此可得椭圆头短半径hi=75mm3.法兰及各连接材料的选择（1）选定法兰结构工艺操作条件所给出的各参数如下：压力Pc=0.3MPa温度t=140根据上述数据，查看JB_47004707压力容器法兰可得法兰类型：松式法兰 法兰材料：   Q235 紧压面：  凹凸面（2）选定垫片结构 根据上述数据，查看JB_47004707压力容器法兰可得

16、60;垫片形式：  耐油垫垫片压紧面形状：  1a 垫片材料：橡胶石棉板 按GB150-1998钢制压力容器可得 垫片系数：m=2.75比压力：y=25.5MPa垫片接触宽度：N=20mm垫片基本密封宽度：b0=10mm>6.4mm垫片有效密封宽度：b=2.53=2.53=8mm垫片压紧力作用中心圆计算直径：DG=700-2b=700-2×8=684mm预紧时需要的压紧力：Fa=DG by=3.14×684×8×25.5=438143N操作状态下，需要的最小垫片压紧力：Fp=DG

17、 bmPc=2×3.14×684×8×2.75×0.3=28350N八、设计结果一览表参数管程壳程流率25590Kg/h14000 Kg/h进/出口温度/30/40140/60压力/KPa<40<40 物 性定性温度/35100密度/（kg/m ）3994.31097.58定压比热容/kj/（kgk）4.1741.72粘度/（Pas）0.742×10-30.55×10-3热导率（W/mk）0.62650.140普朗特数6.911.74设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/300台数1管径/19×2管心

18、距/24管长/6000管子排列正三角形管数目/根98折流板数/个19传热面积/17.54折流板间距/150管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.480.068表面传热系数/W/（k）2540.34593污垢热阻/（k/W）0.0003340.000176热流量/W535111传热温差/K58.14传热系数/W/（K）540裕度/%13.0%其他工艺参数：壳体长度  3000mm 壳体厚度   5mm封头类型   标准椭圆封头 封头材料   碳素钢Q

19、245封头厚度       5mm 封头短半径     175mm 法兰类型       松式法兰 法兰材料       Q235 法兰紧压面     凹凸面 垫片类型       耐油垫 垫片紧压面形状       1a